ND I型聚氨酯彈性體動(dòng)態(tài)生熱性能研究

1、N D I 型聚氨酯彈性體動(dòng)態(tài)生熱性能研究甄建軍1翟文1馮永強(qiáng)1梁惠君2唐志勇3(1. 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所濟(jì)南250031 (2. 山東賀友集團(tuán)禹城251200(3. 濟(jì)南普恩聚氨酯有限公司250032摘要:采用1, 52萘二異氰酸酯(ND I 、己二酸乙二醇丙二醇酯二醇(PEP A 等原料合成了一種新型耐熱的聚氨酯彈性體。通過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試(DMA 和壓縮疲勞溫升試驗(yàn), 對(duì)ND I 型聚氨酯彈性體的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了分析研究, 并與T D I 型聚氨酯彈性體進(jìn)行了比較。結(jié)果表明, ND I 型聚氨酯彈性體損耗因子小、儲(chǔ)能模量大、阻尼小、動(dòng)態(tài)生熱低, 耐熱性能比T D I 型聚氨酯彈性

2、體好。關(guān)鍵詞:ND I ; 聚氨酯彈性體; 動(dòng)態(tài)生熱聚氨酯彈性體是由低聚物多元醇、二異氰酸酯和擴(kuò)鏈劑組成, 可分為澆注型、混煉型、熱塑型注射成型、體材料。, 子材料相比, , 如高強(qiáng)度、高模量、高伸長(zhǎng)率、硬度范圍寬、耐油性能優(yōu)異、耐低溫和耐臭氧老化, 其耐磨性能更是突出, 因此又俗稱(chēng)“耐磨橡膠”1, 2?，F(xiàn)已在國(guó)防、輕紡、交通、油田、機(jī)械、建筑、醫(yī)療和體育等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始, 世界上許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始研究將澆注型聚氨酯彈性體用于制造輪胎和履帶車(chē)輛的行動(dòng)系統(tǒng)36。近幾年來(lái), 我國(guó)也開(kāi)始了將聚氨酯彈性體應(yīng)用于履帶式車(chē)輛的行動(dòng)系統(tǒng)的研究工作7。由于現(xiàn)代履帶式車(chē)輛的功率增

3、大、車(chē)速增快、路況復(fù)雜等原因, 決定了其行動(dòng)系統(tǒng)往往要承受復(fù)雜的動(dòng)態(tài)載荷, 這就要求材料不僅要有好的力學(xué)性能和耐熱性能, 而且還要具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能和低的動(dòng)態(tài)生熱特性。由于聚氨酯彈性體分子結(jié)構(gòu)中極性基團(tuán)較多, 分子內(nèi)力和分子間的作用力較大, 再加上可能存在的其它妨礙單鍵自由旋轉(zhuǎn)的因素, 使得聚氨酯彈性體的應(yīng)力2應(yīng)變不能瞬時(shí)達(dá)到平衡, 在交變應(yīng)力作用下表現(xiàn)為滯后現(xiàn)象, 造成內(nèi)生熱, 嚴(yán)重影響制品的使用性能2。所以, 在制備特殊需要的制品時(shí), 選擇原料很重要。ND I 是高熔點(diǎn)芳香族二異氰酸酯, 具有剛性芳香族萘環(huán)結(jié)構(gòu), 其動(dòng)態(tài)疲勞性能和耐磨性能優(yōu)異8, , , 。1實(shí)驗(yàn)部分1. 1主要原料1,

4、52萘二異氰酸酯(ND I , 工業(yè)級(jí), 日本三井東亞化學(xué)株式會(huì)社; 甲苯二異氰酸酯(T D I , 工業(yè)級(jí),日本三井武田化學(xué)株式會(huì)社; 聚己二酸乙二醇丙二醇酯二醇(PEP A , M n =2000 , 工業(yè)級(jí), 煙臺(tái)合成革廠; 1, 42丁二醇(BDO , 分析純, 天津鑫源石油化工公司; 3, 32二氯24, 42二胺基二苯基甲烷(MOCA , 日本和歌山精化工業(yè)株式會(huì)社。1. 2主要設(shè)備和儀器真空硫化機(jī), 臺(tái)灣東毓油壓股份有限公司; DMA242型同步熱分析儀, 德國(guó)Netnsch 公司; YS -252型壓縮疲勞試驗(yàn)機(jī), 上?；C(jī)械四廠。1. 3合成與制備1. 3. 1ND I 型

5、預(yù)聚體的合成與試樣制備稱(chēng)取一定量的PEP A, 在110120、0. 13kPa 真空度下脫水2h 。加入計(jì)量好并研磨細(xì)的ND I, 在快速攪拌下反應(yīng)30m in, 然后降溫至8090再反應(yīng)2h 。取樣分析, 當(dāng)NCO 含量與設(shè)計(jì)值相符時(shí), 脫泡30m in, 停止反應(yīng), 即得ND I 型預(yù)聚物。以脫水后的BDO 為交聯(lián)劑, 取一定量的預(yù)聚物和交聯(lián)劑攪拌均勻, 澆注在120預(yù)熱好的模具上, 在真空硫化機(jī)上120硫化3h, 然后在烘箱110522007年第22卷第2期2007. Vol . 22No . 2聚氨酯工業(yè)P OLY URETHANE I N DUST RY中處理8h, 即得ND I

6、型聚氨酯彈性體試樣。1. 3. 2T D I 型預(yù)聚體的合成與試樣制備稱(chēng)取一定量的PEP A , 在110120, 0. 13kPa真空度下脫水2h 。降溫至4050, 加入計(jì)量好的T D I, 攪拌升溫至(80±5 , 反應(yīng)2h 。取樣分析, 當(dāng)NCO 含量與設(shè)計(jì)值相符時(shí), 脫泡30m in, 停止反應(yīng), 即得T D I 型預(yù)聚物。以MOCA 為交聯(lián)劑, 取一定量的預(yù)聚物和熔化后的交聯(lián)劑攪拌均勻, 澆注在120預(yù)熱好的模具上, 在真空硫化機(jī)上120硫化3h, 然后在110烘箱中處理8h, 即得T D I 型聚氨酯彈性體試樣。1. 4性能測(cè)試動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試(DMA 按AST M D

7、406595標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試, 試驗(yàn)條件:N 2氛圍, 升溫速度為10/min, 頻率為1Hz, 升溫范圍為-45135; 壓縮疲勞溫升試驗(yàn)按G B /T 168793標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試, 試驗(yàn)條件:載荷為1. 6MPa, 沖程選用3mm , 率為30Hz, 疲勞時(shí)間2. 5h 。2結(jié)果與討論2. 1采用德國(guó)Netnsch 公司的DMA242型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀對(duì)ND I 型和T D I 型聚氨酯彈性體試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試, 其結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2和表1 。1ND I ; 2T D I圖1T D I 型和N D I 型彈性體損耗因子與溫度關(guān)系1ND I ; 2T D I圖2T D I 型和N D I 型彈

8、性體儲(chǔ)能模量與溫度關(guān)系表1不同溫度下的2種類(lèi)型彈性體損耗因子和儲(chǔ)能模量溫度T D I 型彈性體ND I 型彈性體損耗因子儲(chǔ)能模量MPa 損耗因子儲(chǔ)能模量MPa 200. 13785. 230. 065104. 05400. 10067. 210. 05096. 50600. 07658. 180. 04095. 05800. 05954. 950. 03395. 611000. 04754. 050. 02696. 521200. 03653. 500. 02295. 82從圖1、圖2和表1中可以看出, 在0以上的相同溫度下, T D I 型彈性體的損耗因子比ND I 型的要大, 而T D I

9、 型彈性體的儲(chǔ)能模量要比ND I 型的小。也就是說(shuō), 在軟段相同的情況下, T D I 型彈性體的阻尼性要比ND I 型的大, T D I 型彈性體的內(nèi)生I 因, ND , ND I 具有對(duì), 減少了內(nèi)生熱; 另, 萘環(huán)的內(nèi)聚能大于苯環(huán), 使硬段容易團(tuán)聚; 同時(shí)由于使用不同種類(lèi)的擴(kuò)鏈劑, 在擴(kuò)鏈時(shí), ND I 型彈性體形成氨基甲酸酯基, 而T D I 型則形成脲基, ND I 型彈性體的氫鍵作用小于T D I 型的, 因此, ND I 型彈性體更易形成微相分離, 使彈性體的動(dòng)態(tài)性能更好。2. 2壓縮疲勞溫升試驗(yàn)壓縮疲勞試驗(yàn)是描述其內(nèi)生熱的最直觀的方法, 在交變應(yīng)力作用下, 內(nèi)生熱越少的彈性體,

10、 其溫升越小。由于聚氨酯彈性體分子結(jié)構(gòu)中極性基團(tuán)較多, 分子內(nèi)力和分子間存在的作用力較大, 再加上可能存在的其它妨礙單鍵自由旋轉(zhuǎn)的因素, 使聚氨酯彈性體的應(yīng)力2應(yīng)變不能瞬時(shí)達(dá)到平衡, 從而表現(xiàn)出高聚物的粘彈性, 在交變應(yīng)力作用下, 表現(xiàn)為滯后現(xiàn)象。滯后現(xiàn)象產(chǎn)生內(nèi)生熱, 使彈性體的溫度升高。本研究在80下, 對(duì)ND I 型聚氨酯彈性體試樣進(jìn)行了壓縮疲勞試驗(yàn), 并在同條件下與T D I 型聚氨酯彈性體進(jìn)行比較。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和圖3。表2壓縮試驗(yàn)結(jié)果比較T D I 型彈性體ND I 型彈性體初始高度/mm25. 325. 2最后高度/mm23. 624. 0最高溫度/10099最大溫差/2019試驗(yàn)

11、后試樣狀態(tài)未損壞未損壞62聚氨酯工業(yè)第22 卷 1ND I ; 2T D I圖380時(shí)溫升與壓縮時(shí)間的關(guān)系從表2和圖3可知, 在試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)2種彈性體的溫度急劇升高, 大概在1020m in 左右溫升達(dá)到最高值, T D I 型彈性體為100, 而ND I 型彈性體為99, 且T D I 型彈性體在最高溫度的時(shí)間長(zhǎng)于ND I 型彈性體, 即在相同條件下, T D I 型彈性體的內(nèi)生熱大于ND I 型彈性體, 這與動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試的結(jié)果相一致。從試樣高度的保持率來(lái)看, T D I 型彈性體為93. 2%, ND I 型彈性體為95. 2%, I 性體的塑性變形小, , 。3結(jié)論(1 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

12、測(cè)試顯示, 在相同溫度下, T D I 型彈性體的損耗因子比ND I 型的要大, T D I 型彈性體的儲(chǔ)能模量要比ND I 型彈性體的小很多, 因此ND I 型彈性體的內(nèi)生熱小于T D I 型彈性體。(2 壓縮疲勞試驗(yàn)證明了ND I 型彈性體的內(nèi)生熱小于T D I 型彈性體, 且ND I 型彈性體的耐熱性能要優(yōu)于T D I 型彈性體; ND I 型彈性體具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)疲勞性能, 是制造要求內(nèi)生熱低、耐熱性能好、硬度高、回彈性及耐磨性能好的聚氨酯制品的優(yōu)選硬段材料。參考文獻(xiàn)1傅明源, 孫酣經(jīng). 聚氨酯彈性體及其應(yīng)用(第3版 . 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006. 3102山西化工研究所. 聚氨

13、酯彈性體手冊(cè). 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001. 1892123郝立新, 劉保成, 劉錦春, 等. 澆注型聚氨酯彈性體動(dòng)態(tài)生熱性研究. 聚氨酯工業(yè), 1996, 14(2 :17234Guha P K, Iseler K A, Yen R C . Tread Pad and Compositi on. US P (5mon . U rethane Tank Track Padst o L ife US P 4505984(1985, Harada T, Oyaizu Y, et al . Pr ocess f or Adhering Polyure 2thane Elast omer t o

14、Metal . US P 4542070(19857張英, 胡春怡, 鄭慕僑. 聚氨酯2橡膠組合掛膠負(fù)重輪有限元分析.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 24(2 :1011038劉益軍. 聚氨酯原料及助劑手冊(cè). 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.2325收稿日期2006-09-12修回日期2007-03-13Stud i es on the D ynam i c Hea t 2genera ti n g of Polyurethane El a stom ers Ba sed on ND IZhen J ianjun 1ZhaiW en 1Feng Yongqiang 1L iang Huiju

15、n 2Tang Zhiyong3(1. CN GC Institute 53, J inan 250031 (2. Shandong Heyou Group, Yucheng 251200(3. J inan Puren Polyurethane Co . L td, 250032Abstract:A ne w type heatresistance polyurethane elast omer (P UE was synthesized fr om ND I and PEP A. Comparing with that of P UE based on T D I, the dyna m ic heat 2generating of P UE based on ND Iwas characterized u 2sing the DMA and tiredness of comp ressed test . The results sho wed that the P UE based on ND I had s maller l oss fact or, bigger energy 2st orage modulus, s maller da mp ing and l ower dyna m ic heat